DE3545137A1 - Kolben fuer axialkolbenmaschine - Google Patents
Kolben fuer axialkolbenmaschineInfo
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- F04B1/122—Details or component parts, e.g. valves, sealings or lubrication means
- F04B1/124—Pistons
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Description
Die Erfindung betrifft einen Kolben nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
Diese Kolben sollen in Axialkolbenmaschinen Verwendung
finden, die, ganz allgemein, zur Umwandlung von Druck
energie in Rotationsenergie oder umgekehrt dienen, also
wahlweise als Pumpen oder Hydromotoren eingesetzt werden
können.
Das Prinzip einer Axialkolbenmaschine besteht darin, daß
sich die Kolben in Zylindern axial hin- und herbewegen
können, und die Größe des durch den Kolben im Zylinder
begrenzten Verdrängungsraums dadurch verändert werden kann.
Beim Einsatz als Pumpe wird durch die Veränderung dieses Volumens
das Hydraulikmedium gefördert, beim Einsatz als Motor wird
dieses Volumen durch den Zustrom an Hydraulikmedium zyklisch
verändert und dadurch die Motordrehung bewirkt. Die
Zylinder mit den darin axial verschiebbaren Kolben befinden
sich kreisförmig angeordnet und parallel nebeneinander
in einer drehbar gelagerten Kolbentrommel. Von den
Kolben ragen jeweils ein Ende in den Zylinderraum
hinein, während das andere Ende meist kugelförmig aus
gebildet ist und in einer entsprechend ausgebildeten,
pfannenförmigen Lagerung liegt. Über diese pfannenförmigen
Lagerungen stützen sich die Kolben über eine hydrostatische
Entlastung auf einer ebenen Schiebe ab, die Bestandteil
der Wiege ist. Diese Scheibe kann gegenüber der Drehachse
der Kolbentrommel geneigt werden,
so daß von einer
Schrägscheibe gesprochen wird. Dadurch wird bei jeder
Umdrehung der Kolbentrommel der Kolben eine halbe
Umdrehung lang in den Zylinder hineingeschoben, und
die nächste halbe Umdrehung lang wieder herausgezogen,
und zwar um so mehr, je schräger die Schrägscheibe gegenüber
der Drehachse der Kolbentrommel eingestellt ist.
Da die pfannenförmigen Lagerungen bei schräggestellter
Schrägscheibe nicht auf einem Kreis, sondern einer
Ellipse umlaufen, müssen diese Lagerungen auf der
Schrägscheibe nicht nur umlaufen können, sondern auch
radial verschiebbar sein.
Um ein Abheben der pfannenförmigen Gleitschuhe von der
Schrägscheibe zu verhindern, ist ein Niederhalter vor
gesehen, von dem folgende Kräfte zu überwinden sind:
- - Kraft aus der Druckdifferenz zwischen Gehäuse und Zylinder
- - Reibungskräfte
- - Beschleunigungskräfte der Kolbenmassen.
Im üblichen Drehzahlbereich von mehr als 1000 Umdrehungen
pro Minute machen letztere den weitaus größten Anteil aus.
Dies wird auch aus der Beziehung zur Berechnung der
maximalen Beschleunigung deutlich, in die die Winkel
geschwindigkeit, und damit die Drehzahl, quadratisch eingeht:
a max = D₀/2 · tan γ · l²D₀= Teilkreisdurchmesser der Kolben in
der Kolbentrommel
γ= Schwenkwinkel der Schrägscheibe
ω= Winkelgeschwindigkeit.
Da im allgemeinen die für die Festlegung der Kolben
beschleunigung verantwortlichen Parameter nicht ohne
Nachteile verändert werden können, kann die Beanspruchung
des Niederhalters nur durch eine Verringerung der Kolbenmasse
reduziert werden.
Eine große Kolbenmasse beansprucht jedoch nicht nur den
Niederhalter, sondern wirkt sich auch auf das Gleichge
wicht der Kolbentrommel aus: Die Zentrifugalkräfte
der umlaufenden Kolben bewirken unter dem Einfluß des
Kolbenhubes ein Moment auf die Kolbentrommel um eine
Achse, die senkrecht auf der Drehachse der Kolbentrommel
steht und zugleich parallel zur Schwenkachse der Wiege,
auf der die Schrägscheibe angeordnet ist. Dieses
unerwünschte Drehmoment der Kolbentrommel kann nur durch
entsprechende, zusätzliche Andruckkräfte in axialer
Richtung der Kolbentrommel kompensiert werden.
Eine möglichst geringe Kolbenmasse würde damit also über
eine Verringerung der Massenträgkeit wichtige Teile
der Axialkolbenmaschine entlasten.
Aus diesem Grunde ist beispielsweise das Hohlbohren der
Kolben angewandt worden. Dabei ragt das geschlossene
Kolbenende aus dem Zylinder heraus und der ausgebohrte
Kolbenboden in den Zylinder hinein. Dadurch wird jedoch
noch der bisherige Verdrängungsraum, das sog. Hubvolumen,
um das Volumen der Bohrung, das sog. Totvolumen,
vergrößert, das zwar nicht an der Förderung teilnimmt,
jedoch wegen seiner Kompressibilität eine höhere Druck
pulsation mit allen negativen Auswirkungen, beispielsweise
erhöhter Geräuschabgabe und geringerem Wirkungsgrad, zur
Folge hat.
Um diesen Nachteil zu vermeiden, sind Kolben für Axial
kolbenmaschinen bekannt, bei denen der Kolbenboden wie
oben dargestellt aufgebohrt, jedoch anschließend,
zur Vermeidung des Totvolumens, wieder von einem Deckel
verschlossen und abgedichtet wurde, Bei solchen Kolben
konnte jedoch nicht mehr die für die Herabsetzung der
Reibung erforderliche Durchgangsbohrung vom Kolbenboden
zum gegenüberliegenden Ende des Kolbens bzw. den Ent
lastungsdruckfeldern angebracht werden.
Eine andere bekannte Lösung, bei der die Kolben zwar
zentrisch, jedoch ringförmig aufgebohrt wurden, damit
in der Symmetrieachse der Kolben Material zum Einbringen
der besagten Durchgangsbohrung vorhanden war, hat den
Nachteil, daß die Herstellung solcher Kolben sehr aufwendig
und, besonders bei kleineren Stückzahlen, unwirtschaftlich
war, da sowohl für das Aufbohren Spezialwerkzeuge notwendig
waren, als auch für das anschließende Verschließen mit
einem ringförmigen Deckel beispielsweise das aufwendige
Reibschweißen eingesetzt werden mußte.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Kolben
mit einer Durchgangsbohrung von Kolbenboden zum gegen
überliegenden Kolbenende und mit einem möglichst
geringen Totvolumen zu schaffen, die eine möglichst geringe
Masse aufweisen und einfach herzustellen sind.
Die Lösung dieser Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil der
Ansprüche 1 und 2 dargelegt. Zweckmäßige Ausgestaltungen
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Ein solcher, abgeschwächter, mittlerer Bereich eines
Kolbens kann, wenn die einfache Fertigung im Vordergrund
steht, mit gleichbleibendem Querschnitt ausgebildet werden,
besonders wenn die auf ihn wirkenden Biegekräfte über
die axiale Länge des mittleren Bereiches nicht sehr unter
schiedlich sind, wobei dann natürlich der Querschnitt ent
sprechend der größten auftretenden Biegebelastung
dimensioniert werden muß.
Soll dagegen die Massereduzierung unter Inkaufnahme einer
etwas aufwendigeren Herstellung des Kolbens weiter
optimiert werden, so wird der Kolbenquerschnitt im
axialen Verlauf des mittleren Bereiches entsprechend
den an jeder Stelle auftretenden Biegebelastungen
verändert, so daß sich eine über den Kolbenverlauf
gleichbleibende Durchbiegung ergibt. Eine weitere
Massereduzierung des Kolbens wird dadurch möglich, daß
vom mittleren Bereich aus die beiden Randbereiche, in
denen der Kolben an der Zylinderwandung anliegt, hinter
dreht wird, was den Vorteil hat, daß die an der
Zylinderwandung anliegenden Rest-Mantelflächen, die einen
tragfähigen Schmierfilm sowie eine ausreichende
Dichtlänge bieten müssen, nicht reduziert werden.
Selbstverständlich lassen sich auch die beiden grund
sätzlichen Lösungen, Verringerung des äußeren Querschnittes
im mittleren Kolbenbereich und konzentrisch angeordnete,
am Kolbenboden verschlossene Längsbohrungen, bei Bedarf
entsprechend kombinieren.
Unterschiedliche Ausbildungen der Erfindung sind in den
Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher
beschrieben: Es zeigt:
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Axialkolbenmaschine
mit Kolben gemäß der Erfindung,
Fig. 2 einen teilgeschnittenen Kolben mit gleich
bleibend reduziertem Kolben im mittleren Bereich,
Fig. 3 einen teilgeschnittenen Kolben mit unterschiedlichem
Querschnitt im mittleren Bereich, und
Fig. 4 einen Kolben ähnlich der Fig. 3 mit hinter
drehten Endbereichen.
Fig. 5 einen teilgeschnittenen Kolben mit konzentrisch
angeordneten Längsbohrungen im Grund- und Aufriß.
In Fig. 1 ist eine Axialkolbenmaschine dargestellt,
die sich in einem topfförmigen Gehäuse 2 befindet, das
mit einem Deckel 1 verschlossen ist. Die beiden Teile
sind über den Zuganker 5 mit Hilfe der Muttern 21 mitein
ander verschraubt. Die, im Pumpenbetrieb, über die Welle
19 angetriebene Axialkolbenmaschine besteht im wesentlichen
aus der koaxial um die Welle 19 drehbar angeordnete
Kolbentrommel 12, die auf der einen Seite auf der Verteiler
platte 14 gleitet und in die auf der anderen Seite die
Kolben 13 hineinragen. Das aus der Kolbentrommel 12 heraus
ragende Ende der Kolben 13 ist kugelförmig ausgebildet und
in den mit einer entsprechenden Innenkontur versehenen
Gleitschuhen 16 gelagert. Die Gleitschuhe 16
stützen sich auf der feststehenden Schrägscheibe 17
gleitend ab, um die durch die Schrägstellung
der Schrägscheibe 17 zur Welle 19 bedingte ellipsenförmige
Umlaufbahn um die Welle 19 einhalten zu können. Um das
Maß der bei jeder Umdrehung der Welle 19 erfolgenden
Längsverschiebung der Kolben 13 in der Kolbentrommel 12,
und damit, beim Pumpenbetrieb, das Hubvolumen einstellen
zu können, ist die Schrägscheibe 17, gegen die die Gleit
schuhe 16 mit Hilfe eines Niederhalters 15 gepreßt werden,
auf einer Wiege 18 angeordnet, die mit ihrer halbzylin
drischen Außenkontur in einer entsprechenden Ausnehmung
der Lagerkörpers 10 verschwenkbar ist.
Der in der Axialkolbenmaschine der Fig. 1 verwendete
Kolben 13 ist in der Fig. 2 näher dargestellt. Der Kolben 13
weist im vorderen Bereich 3 und hinteren Bereich 4 eine
Außenkontur auf, die der Innenkontur des Zylinders ent
spricht und an dieser entlanggleitet. Im mittleren
Bereich 6 ist der Querschnitt des Kolbens 13 jedoch
wesentlich geringer, und zwar über die ganze axiale Länge
des mittleren Bereiches gleichbleibend. Noch vor dem
vorderen Bereich 3 befindet sich der kugelförmig
ausgebildete Kopf 7 des kolbens 13, der in einer ent
sprechenden Ausnehmung des Gleitschuhs 16 drehbar
gelagert ist.
Um trotz der hohen Anpressung des Gleitschuhes 16 an
die Schrägscheibe 17 die beiden Teile relativ zueinander
verschiebbar zu halten, sind an der Unterseite des
Gleitschuhes 16 Taschen 8 ausgebildet, die bei ent
sprechender Druckbeaufschlagung als Entlastungs-Druck
felder dienen. Die notwendige Druckversorgung geschieht
über die Bohrung 9 im Gleitschuh 16 sowie die weiter
führende Bohrung 11 im Kolben 13 vom Kompressionsraum
innerhalb des Zylinders her. Da die Bohrung 11 vorteilhafter
weise in der Längsachse des Kolbens 13 liegt, wird ihre
Funktion durch die Querschnittsverengung im mittleren
Bereich 6 des Kolbens 13 nicht beeinträchtigt.
Eine weitere Ausführungsform des Kolbens 13 gemäß der
Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt. Im Gegensatz zu dem
Kolben der Fig. 2 weist dabei der mittlere Bereich 6 des
Kolbens 13 keinen gleichbleibenden Querschnitt auf,
sondern der Querschnitt des Kolbens nimmt zum vorderen
Ende hin, entsprechend der steigenden Biegebelastung, zu,
was in Längsrichtung über den mittleren Bereich 6 des
Kolbens 13 eine gleichmäßige Durchbiegung ergibt.
Der in der Fig. 3 dargestellte Kolben 13 kann hinsichtlich
der Masseeinsparung am Kolben noch dahingehend optimiert
werden, daß der vordere Bereich 3 und der hintere Bereich 4
des Kolbens 13 vom mittleren Bereich 6 aus hinterdreht
werden, ohne die Restmantelflächen, mit denen der Kolben
13 an der Zylinderwandung anliegt, weiter zu verringern,
wie in Fig. 4 dargestellt.
Die Verwendung von solchen Kolben ist
besonders bei kurzhubigen Axialkolbenmaschinen vorteil
haft, da in diesem Fall aufgrund der insgesamt
geringen Gesamtlänge der Kolben 13 auch nur relativ
geringe Biegekräfte auf den Kolben wirken, und die
axiale Länge des vorderen Bereiches 3 des Kolbens 13
um so geringer gewählt werden kann, je geringer der Hub
der Kolben ist, wenn ein völliges Außereingriffkommen
der Mantelfläche des vorderen Bereiches 3 mit der
Zylinderwandung vermieden werden soll.
In Fig. 5 ist dagegen ein Kolben gezeigt, dessen Masse
ohne Inkaufnahme eines Totvolumens dadurch reduziert
wurde, daß in den Kolbenboden konzentrisch um die
Kolbenlängsachse Bohrungen 22 eingebracht wurden,
so daß in der Mitte des Kolbens genug Material verblieb,
um darin die Bohrung 11 einzubringen. Damit die Hohl
räume der Bohrungen 22 im Betrieb der Axialkolbenmaschine
nicht als Totvolumen wirken, werden sie am Kolbenboden
durch Deckel 23 verschlossen und abgedichtet, die
beispielsweise durch Hartlöten im Kolben befestigt werden.
Die in den Fig. 2 bis 4 bzw. 5 dargestellten Ausführungs
formen lassen sich bei entsprechend dimensionierten
Kolben selbstverständlich auch in einer neuen Ausführungs
form vereinigen, wobei dann die konzentrisch angeordenten,
am Zylinderboden wieder verschlossenen Hohlbohrungen
entweder nur im vorderen Bereich 4 des Kolbens angeordnet
sind, oder so nahe an der Mitte des Kolbens liegen, daß
sie sich durch den schmaleren, mittleren Bereich 6 des
Kolbens hindurcherstrecken können.
Claims (6)
1. Kolben für Axialkolbenmaschinen, insbesondere
kurzhubige Axialkolbenmaschinen des Schrägscheibentyps mit
in der Symmetrieachse des Kolbens angeordneter Durchgangsbohrung,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Kolben in axialer Richtung nur in einem ersten, dem freien Zylinder
ende, also dem Kugelgelenk des Kolbens, zugewandten Bereich
sowie in einem zweiten Bereich am anderen Kolbenende
eine dem Zylinderquerschnitt entsprechende Außenkontur
aufweist und im dazwischenliegenden, mittleren Bereich
einen wesentlich geringeren Querschnitt aufweist.
2. Kolben für Axialkolbenmaschinen, insbesondere
kurzhubige Axialkolbenmaschinen des Schrägscheibentyps mit
in der Symmetrieachse des Kolbens angeordneter Durchgangs
bohrung,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Kolben mehrere symmetrisch um die Kolbenmitte in
Kolbenlängsrichtung verlaufende Bohrungen aufweist, die
zum Kolbenboden hin mit Deckeln verschlossen sind.
3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
der mittlere Kolbenbereich über seine axiale Länge
einen gleichbleibenden Querschnitt aufweist.
4. Kolben nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
der mittlere Kolbenbereich in seinem
Verlauf eine unterschiedliche Dicke aufweist, dessen
Festigkeit sich analog der mit der axialen Erstreckung
sich ändernden Biegespannung verändert, um in dem mittleren
Kolbenbereich eine gleichmäßige Durchbiegung zu erzielen.
5. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4
dadurch gekennzeichnet, daß
die Länge des ersten dem freien Zylinderende also dem
Kugelgelenk des Kolbens zugewandten, Kolbenbereiches größer
ist als der maximale Hub der Axialkolbenmaschine.
6. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
der vordere Bereich (3) und der hintere Bereich (4) des
Kolbens (13) nicht massiv ausgebildet, sondern vom mittleren
Bereich (6) her ringförmig ausgehöhlt sind, ohne die
Mantelflächen des vorderen Bereichs (3) und hinteren
Bereichs (4) zu reduzieren.
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Owner name: BOEHRINGER WERKZEUGMASCHINEN GMBH, 7320 GOEPPINGEN |
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